A causa della necessità di costruire città sicure, è stato ulteriormente promosso lo sviluppo della videosorveglianza e quindi è stata promossa anche l'applicazione dell'FPGA in questo campo.
Soprattutto ora che i requisiti per multicanale, alta definizione, networking, interfaccia di comunicazione ad alta velocità e intelligenza hanno promosso l'ulteriore sviluppo del campo della Controller per video wall basati su FPGA.
Al contrario, il progresso e il rinnovamento della tecnologia dei chip FPGA, del core IP e del design di riferimento hanno promosso lo sviluppo della videosorveglianza.
Ora è difficile soddisfare le esigenze dei sistemi ad alte prestazioni semplicemente utilizzando processori DSP o chip standard (ASSP).
Tuttavia, a causa dell'elevata integrazione e flessibilità degli attuali dispositivi programmabili, nonché del basso consumo energetico e dell'ampia gamma operativa, i loro prezzi continuano a diminuire. Pertanto, vengono utilizzate le elevate prestazioni e la flessibilità uniche degli array di porte logiche programmabili (FPGA). , In modo che possa costruire molti prodotti di videosorveglianza.
1. Cosa rende gli FPGA straordinari?
Gli FPGA sono programmabili come GPU o CPU, ma mirano a problemi paralleli, a bassa latenza e ad alto rendimento come inferenza e reti neurali profonde.
Gli FPGA hanno una serie di vantaggi, il più notevole dei quali è la velocità.
Sebbene gli FPGA funzionino a una velocità di clock ridotta rispetto alle moderne CPU, sono fondamentalmente simultanei, piuttosto che eseguire flussi di istruzioni sequenziali, con il flusso di dati ottimale tra queste operazioni simultanee, con conseguente aumento netto delle prestazioni.
Esiste la possibilità che le applicazioni vengano eseguite fino a 100 volte più velocemente sullo stesso codice in esecuzione su CPU tradizionali.
Gli FPGA contengono milioni di blocchi logici riprogrammabili che possono essere utilizzati per eseguire molte azioni contemporaneamente, offrendo i vantaggi del parallelismo e della concorrenza.
Quando scrivono codice, gli ingegneri possono trarre vantaggio da questa architettura parallela suddividendo i problemi in processi ben strutturati e autonomi che possono essere eseguiti contemporaneamente.
Ad esempio, quando un'immagine viene elaborata in modo non simultaneo, un singolo lavoratore elaborerà l'intera immagine pixel per pixel. Ma quando la stessa immagine viene elaborata contemporaneamente, viene scomposta in pezzi che vengono elaborati contemporaneamente da diversi lavoratori e quindi ricomposti.
Questo rende il processo più complesso ma molto più veloce: i dati in entrata devono essere suddivisi in modo ottimale, distribuiti in modo efficiente ai lavoratori, quindi i dati elaborati raccolti e riassemblati, idealmente senza bloccare la pipeline di lavoro.
In una normale CPU, ciò comporta l'invio e l'estrazione dei dati dalla memoria e l'utilizzo di costosi protocolli per consentire ai processi di concordare quale sia lo stato attuale della memoria. Anche le CPU Intel più grandi hanno solo 18
nuclei. In confronto, in un FPGA, il flusso di dati può essere progettato in modo che non lasci mai il chip.
Possono verificarsi decine di migliaia di processi simultanei e la tempistica dell'elaborazione ottimizzata in modo da rendere il throughput
è sempre massimo.
2. L'applicazione di FPGA nella videosorveglianza intelligente
Al momento, la risoluzione delle telecamere IP si sta gradualmente evolvendo dalla definizione standard D1 all'alta definizione (1920×1080) e deve essere eseguita la compressione locale in tempo reale, quindi è possibile utilizzare solo la compressione hard. Se vengono utilizzati più processori DSP, il costo del sistema, l'integrazione e il consumo energetico aumenteranno, il che è inaccettabile per gli utenti; se viene utilizzato un dispositivo FPGA a basso costo a chip singolo, le prestazioni non possono soddisfare i requisiti di progettazione.
Tuttavia, se viene utilizzato un dispositivo FPGA della serie Stratix ad alte prestazioni a chip singolo, il requisito può essere soddisfatto. Poiché questo dispositivo ha un corrispondente dispositivo strutturato della serie ASIC-Hard-Copy, può ridurre ulteriormente il costo a 1/10 e ridurre il consumo energetico del 50%. Pertanto, questo dispositivo FPGA può essere utilizzato come telecamera IP ad alta definizione a canale singolo
Per monitorare localmente l'immagine multicanale, di solito è necessario multiplexare i dati video multicanale e dividere e ridimensionare l'immagine. Pertanto, i dati in formato standard CCIR656 devono essere inviati alla parte di divisione del ridimensionamento del multiplexing video per l'elaborazione.
Le abbondanti risorse di memoria nei dispositivi FPGA sono più adatte per l'uso come buffer di linea necessario per l'algoritmo di multiplexing e ridimensionamento video, quindi questa parte può realizzare rapidamente le funzioni di multiplexing, ridimensionamento e segmentazione dello schermo.
Quindi viene inviato alla parte di codifica H.264 D1+CIF multicanale e le potenti capacità di elaborazione parallela insite nell'FPGA possono soddisfare i requisiti di velocità di elaborazione dell'algoritmo H.264. Rispetto a più schemi di implementazione di processori ASSP o DSP, un FPGA a chip singolo offre prestazioni di sistema più stabili, costi inferiori e il miglior rapporto prezzo/prestazioni.
3. Usa FPGA per realizzare la funzione di elaborazione video in tempo reale DSP
Rispetto alle soluzioni ASSP e chipset, gli FPGA possono fornire diversi livelli di flessibilità in base alle effettive esigenze dei progettisti e mantenere prestazioni significativamente migliori rispetto ai tradizionali DSP.
L'elaborazione video in tempo reale richiede prestazioni di sistema estremamente elevate, quindi quasi tutti i DSP generici con le funzioni più semplici non dispongono di questa funzione.
Il dispositivo logico programmabile consente ai progettisti di utilizzare la tecnologia di elaborazione parallela per implementare algoritmi di elaborazione del segnale video e solo un singolo dispositivo può ottenere le prestazioni desiderate.
Le soluzioni basate su DSP di solito devono incorporare molti DSP su un'unica scheda per ottenere le capacità di elaborazione necessarie, il che aumenterà senza dubbio il sovraccarico delle risorse del programma e delle risorse di memoria dei dati.
Poiché è estremamente difficile inviare dati video a larghezza di banda elevata e mantenere un'adeguata qualità del servizio (QoS) su canali di trasmissione estremamente stretti (come i canali wireless), i progettisti si impegnano a migliorare la correzione degli errori, la compressione e l'elaborazione delle immagini in base all'implementazione FPGA . tecnologia.
Il cuore dell'algoritmo MPEG-4 è un'operazione chiamata Discrete Cosine Transform (DCT). La parte DCT è stata standardizzata e può essere efficacemente implementata in FPGA. Anche molti decoder MPEG dedicati utilizzano queste parti (come i moduli di stima del movimento). FPGA.
Poiché l'FPGA può essere riconfigurato, il dispositivo può essere facilmente aggiornato e nuovi algoritmi possono essere integrati durante la fase di sviluppo (anche dopo la configurazione).
Un'altra parte importante del sistema video è la conversione dello spazio colore. L'architettura del sistema FPGA può regolare l'algoritmo del sistema applicativo per ottenere le migliori prestazioni ed efficienza.
FPGA può fornire i prodotti più pratici e preziosi ad alta efficienza e ad alta efficienza attraverso regolazioni personalizzate. I progettisti possono trovare un compromesso tra l'ambito dell'applicazione e la velocità, in modo da realizzare la funzione specificata a una velocità molto inferiore rispetto al clock DSP.
Ad esempio, nell'applicazione del filtro mediano, il processore DSP ha bisogno di 67 cicli di clock per eseguire l'algoritmo, mentre l'FPGA deve funzionare solo a una frequenza di 25 MHz, perché l'FPGA può implementare questa funzione in parallelo.
Ma il DSP che realizza la suddetta funzione deve funzionare con una frequenza di 1.5 GHz, si può vedere che in questa particolare applicazione, la capacità di elaborazione della soluzione FPGA può raggiungere 17 volte il processore DSP da 100 MHz.
Molte funzioni di elaborazione di immagini e video in tempo reale sono adatte per l'implementazione con dispositivi FPGA, tra cui: rotazione dell'immagine, ridimensionamento dell'immagine, correzione del colore e correzione della crominanza, miglioramento delle ombre, rilevamento dei bordi, funzione istogramma, nitidezza, filtro mediano e analisi delle macchie, ecc. le funzioni sono mirate ad applicazioni e sistemi specifici e sono costruite sull'architettura di base (come i filtri 2D-FIR).
4. Usa FPGA per creare controller per immagini e video wall per sistemi embedded
L'uso di dispositivi FPGA per creare controller video e immagini sta facendo sì che la tecnologia di visualizzazione delle immagini entri sempre più nelle applicazioni integrate. Grazie alla perfetta combinazione di prestazioni e flessibilità, le applicazioni FPGA nel campo DSP stanno diventando sempre più comuni.
iSEMC ha lanciato una nuova serie di controller per video wall FPGA (field programmable gate array) a bassa potenza, ampliando ulteriormente le proprie risorse per un'ampia gamma di soluzioni programmabili a bassa potenza per progetti attenti ai consumi.
I nuovi dispositivi FPGA forniscono i migliori rapporti di consumo energetico, area, logica e funzione per I/O nei dispositivi logici programmabili. Ciò lo rende una scelta ideale per dispositivi elettronici portatili in applicazioni di elettronica di consumo, industriali, comunicazioni, mediche e di test, in particolare quelle che richiedono operazioni di bus di memoria ad alta intensità di I/O, espansione I/O generica, sequenziamento, conversione dell'interfaccia, archiviazione e l'applicazione della tecnologia touch screen e tastiera dell'interfaccia uomo-macchina.